采收前LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對(duì)水培生菜品質(zhì)的提升作用*

張玉彬，劉文科，楊其長(zhǎng)，查凌雁，周成波，邵明杰，王 奇，李寶石，吳啟保

采收前LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對(duì)水培生菜品質(zhì)的提升作用*

張玉彬1，劉文科1**，楊其長(zhǎng)1，查凌雁1，周成波1，邵明杰1，王 奇1，李寶石1，吳啟保2**

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院/智能制造與裝備學(xué)院，深圳 518172)

在環(huán)境可控的植物工廠內(nèi)，以水培“意大利耐抽薹”生菜（L.）為試驗(yàn)材料，于采收前72h，用不同光照強(qiáng)度的LED紅藍(lán)光進(jìn)行連續(xù)照射（CL），研究照射對(duì)水培生菜葉片C、N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mg、Cu和Zn十種營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響。生菜定植后在6：00-22：00光期下連續(xù)培養(yǎng)17d，培養(yǎng)階段紅藍(lán)光光強(qiáng)均為150μmol·m?2·s?1，從定植后第18天開始進(jìn)行連續(xù)72h不同光強(qiáng)的CL處理。試驗(yàn)設(shè)置CL光強(qiáng)分別為100、150、200、300和500μmol·m?2·s?1（用CL100、CL150、CL200、CL300和CL500表示），并設(shè)置全生長(zhǎng)期光強(qiáng)為150μmol·m?2·s?1的處理作為對(duì)照（CK），其光期為6：00-22：00。結(jié)果表明：CK處理下，生菜干物質(zhì)中P、K、Ca、Mg的含量最高。采收前最后72h用LED紅藍(lán)光連續(xù)照射后，生菜干物質(zhì)中C的含量隨CL光強(qiáng)的增加而增加，CL100處理下，N和Mn的含量最高，CL300時(shí)，Cu的含量最高，CL對(duì)Zn的含量無顯著影響。生菜干物質(zhì)中C、N、Fe和Zn的總量在CL500處理下最高；CL200處理下，P和K的總量最高；CL300處理下，Mg和Cu的總量最高。CL光強(qiáng)對(duì)Ca和Mg的總量無顯著影響。因此，實(shí)際生產(chǎn)中可以通過采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射，達(dá)到提高生菜品質(zhì)或生產(chǎn)富含某種營(yíng)養(yǎng)元素的功能性蔬菜的目的。

采收前連續(xù)光照；LED紅藍(lán)光；植物工廠；水培生菜；礦質(zhì)元素

目前，具有保健作用的“藥食同源”類植物越來越受到關(guān)注，長(zhǎng)期食用某種特定營(yíng)養(yǎng)元素含量豐富的蔬菜可起到調(diào)理身體、改善體質(zhì)的作用[1]。如鈣、鉀、鎂等元素可使神經(jīng)、肌肉保持正常的反應(yīng)；鋅可以促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，提高人體免疫力；鐵可以防止疲勞，預(yù)防因缺鐵而引起的貧血等病癥[2]。人體可以通過自身生化反應(yīng)合成很多物質(zhì)來維持正常新陳代謝活動(dòng)，但是礦質(zhì)元素只能通過飲食獲取。理論上，植物工廠可以根據(jù)人們的意愿，生產(chǎn)出滿足特定需求的產(chǎn)品。

LED光源植物工廠是目前設(shè)施園藝領(lǐng)域最高級(jí)的生產(chǎn)設(shè)施，可最大程度地利用水肥、電能等資源來滿足植物對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境的需求，獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的葉菜產(chǎn)品[3]。光照和營(yíng)養(yǎng)是植物工廠生產(chǎn)中兩個(gè)最為重要的控制要素，在很大程度上決定了水培葉菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。在供給營(yíng)養(yǎng)一定的條件下，通過調(diào)控光照環(huán)境來提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)就顯得尤為重要。研究表明，相比于全光譜的熒光燈處理，LED紅藍(lán)光質(zhì)比例4:1的處理可以更加促進(jìn)生菜對(duì)Fe、Na、Zn、Ca、Mg等元素的吸收累積[4]。研究已經(jīng)證實(shí)可以通過延長(zhǎng)光周期來增加植物的有效光照，從而提高植物產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。在人工光植物工廠中，利用人工光源可最大限度地延長(zhǎng)光周期至連續(xù)光照，即打破植物原有的24h光周期，給植物提供超過24h的光照條件。但長(zhǎng)期的CL不僅會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生脅迫傷害，還極大浪費(fèi)了電力等能源。查凌雁等[6]發(fā)現(xiàn)，30d的全生長(zhǎng)期高光強(qiáng)CL處理會(huì)導(dǎo)致生菜Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn含量的降低及葉片傷害；在80和120μmol·m?2·s?1的全生長(zhǎng)期連續(xù)光照下，生菜礦質(zhì)元素的含量相對(duì)較高，但對(duì)產(chǎn)量無顯著促進(jìn)作用。Zhou等[7]發(fā)現(xiàn)，在采收前進(jìn)行短期的集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射在節(jié)約能源的條件下還顯著提高了生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)。理論上，通過采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射也可以調(diào)增水培蔬菜中礦質(zhì)元素含量，達(dá)到提高植物工廠水培蔬菜品質(zhì)的目的。采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射對(duì)植物的作用效果主要依賴于光照強(qiáng)度的大小，但采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射的光強(qiáng)對(duì)植物養(yǎng)分吸收狀況的影響尚無報(bào)導(dǎo)。

生菜是一種被人們廣泛食用的世界性蔬菜，也適宜在植物工廠中規(guī)?；N植。生菜體內(nèi)所含的礦質(zhì)元素是維持人體健康不可缺少的營(yíng)養(yǎng)成分。本研究以生菜作為種植材料，采用紅藍(lán)組合光譜LED作為光源，探究采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射的光強(qiáng)對(duì)水培生菜的生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響，以期為基于生菜營(yíng)養(yǎng)元素吸收特征確定適宜的 CL 光強(qiáng)提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步開發(fā)具有較高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的植物工廠產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年2-3月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所植物工廠內(nèi)進(jìn)行，栽培環(huán)境溫度為25±1℃，相對(duì)濕度為65%±5%。以“意大利耐抽薹”生菜（L.）為試驗(yàn)材料，先將種子播種于海綿塊中育苗，培養(yǎng)15d后于3月7日下午將大小一致的生菜苗隨機(jī)移栽于長(zhǎng)方形塑料栽培槽（長(zhǎng)180cm×寬60cm×高6cm）內(nèi)，并于次日開始光照試驗(yàn)。生菜育苗和試驗(yàn)期間均采用營(yíng)養(yǎng)液水培，營(yíng)養(yǎng)液配方為(mmol·L?1)：4 Ca(NO3)2·4 H2O、0.75K2SO4、0.5KH2PO4、0.1KCl、0.65Mg SO4·7 H2O、1.0×10?3H3BO3、1.0×10?3MnSO4·H2O、1.0×10?4CuSO4·5H2O、1.0×10?3ZnSO4·7 H2O、0.1 EDTA-Fe、5×10?6(NH4)6Mo7O24·4 H2O。試驗(yàn)前期正常光照采用LED紅藍(lán)光面板燈進(jìn)行光照處理，LED燈的光照強(qiáng)度為150μmol·m?2·s?1，紅光與藍(lán)光的組成比例為4:1，光暗周期設(shè)置為16h/8h，光期時(shí)間段為6：00- 22：00，此種光環(huán)境設(shè)置可以更好地促進(jìn)生菜的產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[7]。植物工廠生菜因品種不同，生長(zhǎng)發(fā)育速度也不同，據(jù)觀察前期試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)統(tǒng)一連續(xù)培養(yǎng)17d，生菜長(zhǎng)到15片葉左右，達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，開始進(jìn)行不同強(qiáng)度光照集中連續(xù)處理72h，從定植后第18天（3月24日）6：00開始，在第21天（3月27日）6：00光照結(jié)束。每個(gè)處理栽培生菜26株，選用紅光波峰為655nm，藍(lán)光波峰為430nm的LED紅藍(lán)光組合燈板（49cm×49cm）進(jìn)行光照處理。燈板放置在栽培槽上方40cm處。連續(xù)光照強(qiáng)度分別為100、150、200、300和500μmol·m?2·s?1（用CL100、CL150、CL200、CL300和CL500表示）處理，以不連續(xù)光照（光強(qiáng)150μmol·m?2·s?1，16h/8h光暗變化）為對(duì)照（CK）。

1.2 項(xiàng)目測(cè)定

在連續(xù)照射開始和結(jié)束時(shí)取樣，分別于每個(gè)處理中隨機(jī)選4株生菜作為重復(fù)樣本，從莖基部切開，用電子計(jì)數(shù)天平（JM-B1002T，精度為0.01g，浙江）稱取地上部鮮重，然后將生菜100℃下殺青20min，以80℃烘干至恒重，用分析天平（Si-234，精度為0.1mg, 美國(guó)）稱取干重。烘干的植物樣品用高通量組織研磨器（SCIEZTZ-48，寧波）研磨成粉末后過篩備用。精確稱取樣品0.3g放入消煮管中，加入60%高氯酸和濃硝酸的混合酸浸提12h，然后在180℃下加熱至溶液澄清透明，消解后加入1:1混合的HCl水溶液10mL，最后定容至50mL，取樣2mL上機(jī)測(cè)定[8]。采用原子吸收分光光度計(jì)（ATC-006）和電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ATC-155）測(cè)定K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn的含量。

生菜樣品中的N、C含量采用燃燒-同位素分析法進(jìn)行測(cè)定。待測(cè)樣品利用vario PYRO cube元素分析儀還原為N2、CO2，N2、CO2通過氦載氣流經(jīng)過吸附與解吸附柱分離，然后再傳入同位素質(zhì)譜儀（IRMS）進(jìn)行同位素分析[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖，采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（LSD法，α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 采收前不同強(qiáng)度LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

2.1.1 對(duì)生菜大、中量元素含量的影響

大量元素是指植物生長(zhǎng)過程中需要量或者含量較多的營(yíng)養(yǎng)元素，包括碳、氮、磷和鉀等元素。中量元素是指作物生長(zhǎng)發(fā)育中需要量低于大量元素而高于微量元素的營(yíng)養(yǎng)元素。中量元素通常指鈣、鎂等元素。圖1a顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中C（碳）含量為38.06g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，C含量略有增加，達(dá)到39.51g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中C含量隨CL光強(qiáng)的增大而明顯增加，CL200（光照強(qiáng)度為200μmol·m?2·s?1）、CL300（光照強(qiáng)度為300μmol·m?2·s?1）和CL500（光照強(qiáng)度為500μmol·m?2·s?1）處理中，72h后C含量分別增加了3.10、4.39和5.17g·100g?1。圖1b顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中N（氮）含量為5.47g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中N含量有所降低，為5.18g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中N含量明顯降低，其中CL300和CL500處理中，72h后N含量分別降低1.43和1.66g·100g?1。圖1c顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中P（磷）含量為0.48g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，P含量略微降低，為0.46g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中P含量明顯降低，其中CL300和CL500處理中，72h后P含量分別降低0.22和0.26g·100g?1。圖1d顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中K（鉀）含量為6.77g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，K含量降至6.68g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中K含量明顯降低，其中CL200、CL300和CL500處理中，72h后K含量分別降低1.36、2.38和2.94g·100g?1。圖1e顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Ca（鈣）含量為0.86g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Ca含量降至0.74g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理中，CL500處理下，干物質(zhì)中Ca含量明顯降低，降低了0.42g·100g?1。圖1f顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Mg（鎂）含量為0.21g·100g?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Mg含量?jī)H略微降低了0.01g·100g?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理中干物質(zhì)中Mg含量明顯降低，其中CL200、CL300和CL500處理中，72h后Mg含量分別降低了0.11、0.08和0.13g·100g?1?？梢?，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜干物質(zhì)中C的含量越增加，N、P、K、Ca和Mg的含量越降低。

圖1 各處理生菜植株地上部干物質(zhì)中大/中量營(yíng)養(yǎng)元素含量的比較

注：CL100、CL150、CL200、CL300和CL500表示采收前集中連續(xù)（持續(xù)72h）LED紅藍(lán)光照射強(qiáng)度分別為100、150、200、300和500 μmol·m?2·s?1，CK表示全生長(zhǎng)期照射光強(qiáng)為150μmol·m?2·s?1，光期為6：00-22：00的對(duì)照處理，虛線表示采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射處理前的取樣。小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性，短線表示均方誤。下同。

Note: CL100, CL150, CL200, CL300, and CL500 indicates that the concentrated red and blue light intensity of the LED continuous （for 72h）lighting was100, 150, 200, 300 and 500μmol·m?2·s?1before harvest. CK indicates that the growth light intensity of 150μmol·m?2·s?1, and the light period of 6：00-22：00 in the whole growth period. The dashed line indicates the sampling before the continuous LED red and blue light irradiation treatment before harvest. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. Dash indicates mean square error. The same as below.

2.1.2 對(duì)生菜微量元素含量的影響

微量元素是指生物體健康成長(zhǎng)所需要的數(shù)量很少的必需化學(xué)元素，包括鐵、錳、銅和鋅等。圖2a顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Fe（鐵）含量為65.67mg·kg?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，F(xiàn)e含量有所降低，為49.43mg·kg?1；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中Fe含量明顯增加，CL200、CL300和CL500處理中，72h后Fe含量分別增加了13.06、23.2和20.66mg·kg?1。圖2b顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部干物質(zhì)中Mn（錳）含量為98.88mg·kg?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Mn含量有所增加，達(dá)到107.13mg·kg?1；而連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理干物質(zhì)中Mn含量明顯降低，CL200、CL300和CL500處理中，72h后Mn含量分別降低14.78、6.6和46.15mg·kg?1。圖2c顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Cu（銅）含量為7.34mg·kg?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Cu含量有所降低，為5.85mg·kg?1；而連續(xù)照射處理72h后，CL300處理下Cu含量明顯增至7.86mg·kg?1，CL500處理下Cu含量則明顯降至2.34mg·kg?1。圖2d顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Zn（鋅）含量為15.43mg·kg?1，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Zn含量有所降低，為13.88mg·kg?1；連續(xù)照射處理72h后，Zn含量隨CL光強(qiáng)的變化無顯著差異。可見，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜干物質(zhì)中Fe含量越增加，Mn含量越降低，Cu含量先增加后降低，Zn含量無顯著變化。

圖2 各處理生菜植株地上部干物質(zhì)微量營(yíng)養(yǎng)元素含量的比較

2.2 采收前不同強(qiáng)度LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)元素總量的影響

2.2.1 對(duì)生菜產(chǎn)量的影響

生菜所含的營(yíng)養(yǎng)元素總量是指單株生菜干物質(zhì)中所含的營(yíng)養(yǎng)元素的總量。由圖3a可知，光照處理開始前，生菜植株地上部分鮮重為16.85g，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，鮮重增至19.5g，增加了2.65g；而集中連續(xù)照射處理72h后，生菜植株地上部分鮮重明顯增加，CL100、CL150、CL200、CL300和CL500處理中，鮮重分別增加9.45、11.25、16.05、18.25和21.75g。可見，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜地上部分鮮重越大。由圖3b可知，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)重量為0.75g，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，干重有所增加，為0.89g；而集中連續(xù)照射處理72h后，高強(qiáng)度光照處理中干物質(zhì)重明顯增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理中，72h后干物質(zhì)重分別增加0.63、1.23、1.45和2.33g。可見，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜干物質(zhì)重量越大。

圖3 各處理單株生菜植株地上部鮮重和干重的比較

2.2.2 對(duì)生菜大中量元素總量的影響

光是影響植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素累積的重要影響因素之一。由圖4可見，采收前用不同強(qiáng)度LED紅藍(lán)光連續(xù)照射72h后，對(duì)生菜大中量營(yíng)養(yǎng)元素總量具有不同程度的影響。圖4a顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中C總量為283.58mg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中C總量略有增加，達(dá)到359.56mg；而集中連續(xù)照射處理72h后，C總量隨CL光強(qiáng)的增大而明顯增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理中，72h后分別增加了256.76、530.94、613.83和999.62mg。圖4b顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中N總量為40.75mg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中N總量略有增加，達(dá)到47.11mg；而集中連續(xù)照射處理72h后，N總量隨CL光強(qiáng)的增大而顯著增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理中，72h后N總量分別增加了29.21、52.00、45.22和72.98mg。圖4c顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中P總量為3.61mg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，P總量增加到4.16mg；而集中連續(xù)照射處理72h后，生菜干物質(zhì)中P總量隨CL光強(qiáng)的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，CL200和CL300處理中，72h后P總量分別增加4.51和2.65mg。圖4d顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中K總量為49.25mg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中K總量增至63.37mg；而集中連續(xù)照射處理72h后，K總量顯著增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理，72h后K總量分別增加31.26 、68.82 、54.96 和55.79mg。圖4e顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部干物質(zhì)中Ca總量為6.39mg，非集中連續(xù)照射處理72h（CK）后，Ca總量增加了0.32mg；而集中連續(xù)照射處理72h后，生菜干物質(zhì)中Ca總量有所增加，但并無顯著差異。圖4f顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Mg總量為1.57mg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Mg總量增至1.84mg；集中連續(xù)照射處理72h后，Mg總量有所增加，也均無顯著差異。可見，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜植株干物質(zhì)中C和N的總量越增加；以CL200處理P和K的總量最高；而CL光強(qiáng)對(duì)Ca和Mg的總量則無顯著影響。

圖4 各處理單株生菜植株地上部干物質(zhì)中大/中量營(yíng)養(yǎng)元素總量的比較

2.2.3 對(duì)生菜微量元素總量的影響

圖5a顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Fe總量為48.54μg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中Fe總量略有降低，為46.52μg；而集中連續(xù)照射處理72h后，F(xiàn)e總量隨CL光強(qiáng)的增大而明顯增加，CL200、CL300和CL500處理中，72h后Fe總量分別增加了115.2、147.45和206.96μg。圖5b顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部干物質(zhì)中Mn總量為73.32μg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，生菜干物質(zhì)中Mn總量略有升高，達(dá)到97.95μg，增加了24.63μg；而集中連續(xù)照射處理72h后，Mn總量隨CL光強(qiáng)的增大而明顯增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理中，72h后Mn總量分別增加75.25、91.22、123.04和80.05μg。圖5c顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Cu總量為5.46μg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Cu總量略有降低；而集中連續(xù)照射處理72h后，Cu總量隨CL光強(qiáng)的增大而明顯增加，CL150、CL200、CL300和CL500處理中，72h后Cu總量分別增加了5.17、10.25、14.27和5.49μg。圖5d顯示，光照處理開始前，生菜植株地上部分干物質(zhì)中Zn總量為11.36μg，非連續(xù)照射處理72h（CK）后，Zn總量略有增加；而集中連續(xù)照射處理72h后，Zn總量隨CL光強(qiáng)的增大而增加，CL500處理中，72h后Zn總量明顯增加36.34μg。可見，采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射的光強(qiáng)越高，生菜干物質(zhì)中Fe和Zn的總量越增加；CL300處理Mn和Cu的總量最高。

圖5 各處理單株生菜植株地上部干物質(zhì)微量營(yíng)養(yǎng)元素總量的比較

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

采收前最后72h用LED紅藍(lán)光集中連續(xù)照射（CL），可以促進(jìn)水培生菜的地上部產(chǎn)量增加，且CL光強(qiáng)越高，生菜產(chǎn)量越高。CL高光強(qiáng)處理（500μmol·m?2·s?1）下，生菜植株C和Fe的含量顯著增加；CL中光強(qiáng)處理（300μmol·m?2·s?1）顯著促進(jìn)Cu含量的增加；CL低光強(qiáng)處理（100μmol·m?2·s?1）下，N和Mn的含量顯著增加；CL處理不利于增加地上部P、K、Ca、Mg、Zn的含量。CL高光強(qiáng)處理（500μmol·m?2·s?1）顯著促進(jìn)生菜植株C、N、Fe和Zn總量的提高，CL中光強(qiáng)處理（300μmol·m?2·s?1）下，P、K和Cu的總量顯著提高。CL處理不利于提高生菜植株Ca和Mg的總量。因此，實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)不同營(yíng)養(yǎng)元素的需求，通過調(diào)整采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射的光照強(qiáng)度來達(dá)到生產(chǎn)富含某種營(yíng)養(yǎng)元素的功能性蔬菜的目的。

3.2 討論

本研究表明，采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射后，生菜地上部鮮重和干重均顯著增加，與前人研究結(jié)果一致，可能是通過增加了光合作用的時(shí)長(zhǎng)提高了光合產(chǎn)物的累積[10]。因此，通過采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射是一個(gè)增加產(chǎn)量有效途徑。

植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收主要是由根表皮細(xì)胞的選擇運(yùn)輸決定的，光可以通過調(diào)節(jié)根表皮內(nèi)酶的活性而影響營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[11]。此外，光強(qiáng)對(duì)植物碳氮代謝的側(cè)重性生理作用，可能會(huì)改變礦質(zhì)元素的吸收和利用強(qiáng)度，導(dǎo)致生菜體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素含量發(fā)生變化。李海云等[12]發(fā)現(xiàn)，光照時(shí)間的延長(zhǎng)可使黃瓜幼苗對(duì)N、P、K、Fe元素的吸收量大幅增加。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，C、N、P、K、Fe和Zn等元素總量在采收前72h集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射后均有不同程度的增加。CL可以提高水培生菜營(yíng)養(yǎng)元素的累積，但隨著CL光強(qiáng)的增加，某些營(yíng)養(yǎng)元素含量會(huì)逐漸降低，可能是CL處理對(duì)葉片產(chǎn)生了有害脅迫。查凌雁等[6]對(duì)水培生菜進(jìn)行全生長(zhǎng)期（30d）的連續(xù)光照照射后發(fā)現(xiàn)，全生長(zhǎng)期連續(xù)LED紅藍(lán)光照射導(dǎo)致生菜礦質(zhì)元素含量顯著降低，從而葉片出現(xiàn)嚴(yán)重的傷害癥狀，且傷害隨光強(qiáng)的增加而加劇。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著CL光強(qiáng)的增大，P、K和Cu的總量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，這可能就是高光照長(zhǎng)時(shí)間的照射導(dǎo)致了葉片傷害，使得生菜對(duì)于這些營(yíng)養(yǎng)元素的累積能力下降。一定光強(qiáng)范圍內(nèi)，紅藍(lán)光CL處理延長(zhǎng)了水培生菜光合作用的時(shí)間，促進(jìn)了生菜體內(nèi)碳氮代謝等進(jìn)程，從而促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。而營(yíng)養(yǎng)元素又是植物進(jìn)行光合作用所必需的元素，營(yíng)養(yǎng)元素吸收量的增加也會(huì)促進(jìn)生菜光合作用的進(jìn)一步提高，使得光合作用和植物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收達(dá)到一種相互促進(jìn)的循環(huán)過程。但隨著CL光照強(qiáng)度的增加，生菜體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)植物有害的氧自由基等物質(zhì)，生成各種活性氧，導(dǎo)致光氧化發(fā)生，直接或間接使細(xì)胞膜的正常功能受到破壞，從而降低根表皮對(duì)礦質(zhì)元素的吸收。高光強(qiáng)CL會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)生成大量的活性氧，打破其動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，致使細(xì)胞內(nèi)電導(dǎo)率急劇上升，改變生物膜流動(dòng)性、離子運(yùn)輸?shù)然咎匦訹13]。這導(dǎo)致光合作用和植物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收變?yōu)橐环N相互拮抗的循環(huán)過程。有研究表明，增加營(yíng)養(yǎng)液可以增加礦質(zhì)元素的累積量[14]，因此，在采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射的同時(shí)，可以通過增加營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水培生菜的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射適宜應(yīng)用于植物工廠生菜栽培，這能夠獲得相比能量投入更高的產(chǎn)量以及高品質(zhì)的蔬菜。本研究探明了采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光照射的強(qiáng)度對(duì)水培生菜營(yíng)養(yǎng)元素含量與總量的影響，研究結(jié)果將為基于生菜營(yíng)養(yǎng)元素吸收特征確定采收前集中連續(xù)LED紅藍(lán)光的照射強(qiáng)度提供科學(xué)依據(jù)，也可為植物工廠生產(chǎn)高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量和價(jià)值的功能性蔬菜進(jìn)一步提供技術(shù)支撐，促進(jìn)植物工廠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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Improvement Effects of Red and Blue LED Continuous Lighting before Harvest on Quality of Hydroponic Lettuce

ZHANG Yu-bin1, LIU Wen-ke1, YANG Qi-chang1, ZHA Ling-yan1, ZHOU Cheng-bo1, SHAO Ming-jie1, Wang Qi1, LI Bao-shi1, WU Qi-bao2

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China ; 2. School of Intelligent Manufacturing and Equipment, Shenzhen Institute of Information Technology, Shenzhen, 518172)

Plant factory is the most advanced production facility in the field of facility horticulture. It could make the best use of water, fertilizer, electric energy, and other resources to meet the needs of plant growth and realize high-yield and high-quality leaf vegetable production. In theory, plant factories could produce vegetable products with rich nutrient elements according to people's wishes. It was particularly important to improve the yield and quality of vegetables by regulating the light environment under certain conditions of nutrition supply. It was found that the yield and quality of lettuce could be significantly improved by short-term red and blue LED light before harvest. In a plant factory with the controllable environment, the red and blue LED light of different light intensity was used to light continuously (CL) 72 hours before harvest, and "Italian bolting resistant" lettuce (L.) was used as the experimental material. The effects of irradiation on the contents of C, N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mg, Cu, and Zn in lettuce leaves were studied. After the lettuce was planted, it was continuously cultivated for 17 days under the light period of 6：00-22：00. The red and blue light intensity in the culture stage were all 150μmol·m?2·s?1. CL treatment with different light intensities for 72h was started from the 18th day after transplantation. The light intensity of CL was 100, 150, 200, 300 and 500μmol·m?2·s?1(represented by CL100, CL150, CL200, CL300 and CL500). And set a growth light intensity of 150μmol·m?2·s?1during the whole growth period and a light period of 6：00-22：00 as control treatment (CK). In the experiment, samples were taken at the beginning and the end of concentrated continuous irradiation and 4 lettuce plants were randomly selected as repeated samples in each treatment, then dried and ground into powder. The contents of K, P, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu and Zn were determined by atomic absorption spectrophotometer and inductively coupled plasma mass spectrometer, and the contents of N and C were determined by combustion isotope analysis. The results showed that the fresh weight and dry weight of lettuce increased with the increase of CL light intensity, and reached the maximum value respectively at CL500. The content of P, K, Ca and Mg in the dry matter of lettuce was the highest under the treatment of CK. After continuous irradiation with LED red and blue light for the last 72 hours before harvest, the content of C in lettuce dry matter increased with the increase of CL light intensity. The total amount of C, N, Fe and Zn in lettuce dry matter increased with the increase of CL light intensity, which was the highest under CL500 treatment. The total amount of P, K, Mg and Cu showed a trend of increasing first and then decreasing with the increase of CL light intensity. Under the treatment of CL200, the total amount of P and K was the highest; under the treatment of CL300, the total amount of Mg and Cu was the highest. The light intensity of CL has no significant effect on the total amount of Ca and Mg. Therefore, continuous red and blue LED light could be applied before harvesting for improving the quality of lettuce or producing functional vegetables rich in some nutrients.

Pre-harvest continuous light；LED red and blue light；Plant factory；Hydroponic lettuce；Mineral elements

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.07.004

張玉彬,劉文科,楊其長(zhǎng),等.采收前LED紅藍(lán)光連續(xù)照射對(duì)水培生菜品質(zhì)的提升作用[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(7):436-445

2020-02-08

劉文科，E-mail：liuwenke@caas.cn；吳啟保，E-mail：wuqb@sziit.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31672202）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019B020214003）；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（GJHZ20180929154602092）

張玉彬，E-mail：zhangyubin26@163.com